Файл: Современные технологии проектирования электронных средств.pdf

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С.ТУРГЕНЕВА»
Институт приборостроения, автоматизации и информационных технологий
Направление 11.04.03. Конструирование и технология электронных средств
Кафедра электроники, радиотехники и систем связи
РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА
на тему: «Современные технологии проектирования электронных средств» по дисциплине: «Современные технологии проектирования электронных средств»
Работу выполнил студент Островский Алексей Николаевич
Шифр 225185 Группа 21КЭ-м
Руководитель к.т.н. Лобанова Валентина Андреевна
Орел 2022

ФГБОУ ВО «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С.ТУРГЕНЕВА»
Кафедра «Электроники, радиотехники и систем связи»
ЗАДАНИЕ
НА РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКУЮ РАБОТУ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ»
1. Получить у преподавателя номер варианта, в соответствии с номером варианта выбрать исходные данные для работы.
2. Исходя из технического задания и принимая во внимание стоимость микросхемы, выбрать модель операционного усилителях.
3. Провести расчёт схемы по известным соотношениям, полученные номиналы округлить до соответствия номиналам компонентов, выпускаемых промышленностью.
4. Ввести схему в ЭВМ и получить основные зависимости и параметры, характеризующие ее работу.
4.1 Получить АЧХ, ФЧХ, переходную и импульснуюхарактеристику, эпюры синусоидального напряжения на входе и выходе схемы, проанализировать характеристики на их взаимное соответствие и соответствие техническому заданию, зафиксировать времяпереходногопроцесса, времязадержки и нарастания, частоты среза, резонанса, ширину полосы пропускания, коэффициент передачи, крутизну спада, оценить линейность в полосе пропускания.
4.2. Произвести анализ шумов и получить зависимость напряжения выходного шума от частоты, получить зависимость отношения сигнал/шум от частоты.
4.3. Получить АЧХ, переходные характеристики и зависимости выходного шума от частоты для различных температур из рабочего диапазона, получить зависимость коэффициента передачи, ширины полосы пропускания и характерных частот от температуры; получить зависимость отношения сигнал/шум от

температуры.
5. Проанализировать влияние разброса параметров элементов на работоспособность устройства.
5.1. С помощью метода малых отклонений произвести анализ чувствительности характеристик схемы (коэффициент передачи в полосе пропускания, частоты среза и резонанса) к разбросу номиналов пассивных компонентов, найти элементы с максимальной чувствительностью.
5.2. Выполнить вероятностный анализ Монте-Карло и расчет на наихудший случай для АЧХ. Построить гистограммы распределения основных параметров фильтра.
6. Выполнить параметрическую оптимизацию: рассчитать номиналы пассивных компонентов схемы средствами ПО. Построить АЧХ каскада с оптимизированными параметрами, и зафиксировать основные параметры фильтра.
7. Составить общий вывод, включающий основные результаты проведенных исследований, заключение о работоспособности устройства в различных условиях и рекомендации по улучшению технических характеристик фильтра и обеспечению работоспособности.
8. Оформить отчёт.
СТУДЕНТ Островский А.Н. ______________
ГРУППА 21КЭ-м
РУКОВОДИТЕЛЬ Лобанова В.А. ____________
Задание выдано: 17.10.22.

Содержание
Введение ................................................................................................................... 5 1 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ .................................................. 6 2 РАСЧЁТ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАРАМЕТРОВ ............ 7 2.1 Передаточная характеристика ФНЧ и расчёт параметров ......................... 7 2.2 Подбор операционного усилителя ................................................................ 9 3 ПОДБОР РЕАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ НОМИНАЛОВ КОМПОНЕНТОВ И
ПАРАМЕТРОВ ...................................................................................................... 10 4 РАСЧЕТЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ .......................... 11 5 ПРОВЕДЕНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ СХЕМЫ В СРЕДЕ MICRO-CAP ..... 15 5.1 Разработка схемы фильтра .......................................................................... 15 5.2 Анализ динамических характеристик схемы ............................................ 16 5.3. Анализ шумов .............................................................................................. 17 5.4 Анализ влияния изменения температуры .................................................. 18 5.5 Анализ зависимости динамических свойств схемы от разброса параметров пассивных элементов .................................................................... 19
Заключение ............................................................................................................. 23
Список используемой литературы ....................................................................... 24

5
Введение
Целью настоящей расчётно-графической работы является разработка фильтр нижних частот (ФНЧ) Бесселя.
Задачами настоящей расчётно-графической работы являются:
– разработка технического задания;
– расчет и выбор основных элементов и параметров;
– подбор реальных значений номиналов компонентов и параметров;
– расчеты коэффициентов чувствительности;
– проведение моделирования схемы в среде Microcap;
– разработка схемы фильтра;
– анализ динамических характеристик схемы;
– анализ шумов;
– анализ влияния изменения температуры;
– анализ зависимости динамических свойств схемы от разброса параметров пассивных элементов;
– оптимизация параметров.

6
1 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
1. Наименование проектируемого устройства: фильтр нижних частот
(ФНЧ) Бесселя.
2. Технические и эксплуатационные требования:
2.1 Тип входного сигнала фильтра – гармонический;
2.2 Добротность фильтра – 0,58;
2.3 Амплитуда входного напряжения – 90 мВ;
2.4 Амплитуда выходного напряжения – 4,5 В;
2.5 Частота среза – 20 кГц;
2.6 Допустимое отклонение частоты среза и резонанса – не более 5%;
2.7 Диапазон рабочих температур – от – 40 0
С до + 85 0
С;

7
2 РАСЧЁТ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАРАМЕТРОВ
2.1 Передаточная характеристика ФНЧ и расчёт параметров
Для расчёта ФНЧ Бесселя выбрана схема активного ФНЧ второго порядка с отрицательной обратной связью (ООС), которая изображена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 — ФНЧ второго порядка с ООС
Передаточная функция фильтра второго порядка:
????(????) =
????
0
(1 + ????
????
???? + ????
????
????
2
)
(2.1)
Передаточная функция активного ФНЧ, изображенного на рис. 2.1, имеет вид:
????(????) = −
????
2
????
1
⁄
1 + ????
ср
(????
2
+ ????
3
+
????
2
????
3
????
1
) ???? + ????
ср
????
1
????
2
????
2
????
3
????
2
(2.2)
Здесь K
0
– коэффициент усиления;
????
ср
– частота среза, равная 2πf ср
;
R1, R2 и R3 – номинальные значения сопротивлений резисторов, кОм;

8
C1 и C2 – номинальные ёмкости конденсаторов, мкФ; a
i и b i
– коэффициенты фильтра.
Коэффициенты для ФНЧ Бесселя второго порядка:
????
1
= 1,3617, ????
1
= 0,618
Приравняв (2.1) и (2.2), получим:
????
0
= −
????
2
????
1
(2.3)
????
1
= ????
ср
(????
2
+ ????
3
+
????
2
????
3
????
1
)
(2.4)
????
1
= ????
ср
2
????
1
????
2
????
2
????
3
(2.5)
Коэффициент усиления K
0
оказывается отрицательным, поэтому прошедший через фильтр сигнал будет инвертирован, на частоте среза он равен:
????
0
= −0,707
????
вых
????
вх
(2.6)
????
0
= −0,707 4,5 0,09
= −35,35
Номинальная ёмкость конденсатора C1 на частоте среза равна:
????
1
=
10
????
????
(2.7)
????
1
=
10 20 ∙ 10 3
= 500 пФ
Номинальная ёмкость конденсатора C2 на частоте среза должна быть:
????
2
≥
????
1
∙
????
1 2
4????
1
(
1 − ????
0
)
(2.8)
????
2
=
0,0005 ∙ 1,3617 2
4 ∙ 0,618 ∙
(
1 + 35,35
)
≥ 10,32 пФ

9
В данном случае, ёмкость будет округлена до ближайшего номинала ряда
Е24, C1=510 пФ, C2=10 пФ.
Номинальные сопротивления резисторов:
????
2
=
????
1
????
1
− √????
1 2
????
1 2
− 4????
1
????
2
????
1
(1 − ????
0
)
4????????
ср
????
1
????
2
(2.9)
????
1
= −
????
2
????
0
(2.10)
????
3
=
????
1 4????
2
????
ср
2
????
1
????
2
????
2
(2.11)
2.2 Подбор операционного усилителя
Исходя из технического задания и принимая во внимание стоимость микросхемы, выбраем модель операционного усилителя.
Выбор операционного усилителя осуществляется на основании технического задания, приведенного в разделе 1. Также учитываются следующие условия:
1. Амплитуда выходного сигнала не должна превышать напряжение питания;
2. Частота единичного усиления должна быть на три- четыре порядка выше верхней частоты фильтра;
3. При прочих равных условиях следует выбирать малопотребляющие, с низким дрейфом нуля и входным током, с низким температурным дрейфом.
В соответствии с вышеупомянутыми условиями был выбран операционный усилитель OP777.

10
3
ПОДБОР
РЕАЛЬНЫХ
ЗНАЧЕНИЙ
НОМИНАЛОВ
КОМПОНЕНТОВ И ПАРАМЕТРОВ
Поскольку расчётные значения номиналов получаются очень разные, то требуется подбор наиболее подходящего номинала из стандартных значений.
Прежде всего при подборе элемента стандартного номинала нужно учитывать мгновенные амплитудные значения токов и напряжений, протекающих через элементы, мощность, проходящую через элементы, рассеиваемую мощность на элементах, электромагнитную совместимость и диапазон рабочих частот.
Отметим также, что поскольку выходной фильтр должен иметь значения номиналов входящих в него элементов в соответствии расчётными, то точность подбора каждой ёмкости может обеспечиваться посредством параллельного включения двух конденсаторов. Для нашего усилительного каскада номиналы элементов приведены в таблицах 3.1 и 3.2. Компоненты были подобраны в соответствии с рядами Е12 и Е24.
Таблица 3.1 – Номиналы резисторов
Обозначение Расчетное значение, Ом
Стандартный номинал
R1 11906 12 кОм
R2 420907 430 кОм
R3 18231 18 кОм
Таблица 3.2 – Номиналы конденсаторов
Обозначение Расчетное значение, Ф
Стандартный номинал
C1 500 ∙ 10
−12 510 пФ
C2 10,32 ∙ 10
−12 10 пФ

11
4 РАСЧЕТЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Важным этапом в расчёте аналоговых электрических схем является определение эксплуатационных характеристик элементов схемы, в том числе определение допустимого температурного коэффициента ёмкости или сопротивления, допустимой погрешности номинала элемента и т. Установка завышенных требований к эксплуатационным характеристикам радиоэлементов ведёт к необоснованному ухудшению экономических показателей изделия. Заниженные требования приводят к значительному отклонению реальных номиналов элементов от расчётных значений, что обуславливает возникновение погрешностей параметров схемы. При этом статические погрешности номиналов элементов (вызванные низкой точностью расчётов, грубым округлением расчётных величин до реально существующих, а также погрешностью изготовления элементов) остаточно легко устраняются за счёт использования подстроечных элементов. Для устранения динамических погрешностей, вызванных, например, изменением условий окружающей среды (главным образом, температуры), необходимо применение специальных технических решений. Поэтому для определения оптимальных эксплуатационных характеристик радиоэлементов необходимо тестировать проектируемые схемы на чувствительность к изменению номиналов их элементов.
В ходе исследования анализировалась схема фильтра нижних частот второго порядка с ООС. Во время эксперимента исследовались такие наиболее важные параметры, как коэффициент усиление в полосе пропускания и частота среза.
Относительная чувствительность параметра F к изменению значения x рассчитывается по формуле (4.1):
????
????
????
=
????
????
∙
????????
????????
(4.1)

12
Выражение частоты среза и коэффициента усиления непосредственно из формулы передаточной функции достаточно затруднительно, а получаемое выражение относительно громоздко. Поэтому их можно выразить через коэффициенты передаточной функции ФНЧ второго порядка, которые мы находили в разделе 2 расчётно-графической работе.
Выразим коэффициент усиления через формулу (2.3) и получим следующее выражение:
???? = −
????
2
????
1
Подставим полученное выражение коэффициента усиления в формулу
(2.7) и проанализируем как сильно повлияет на схему изменение номиналов компонентов схемы фильтра верхних частот:
????
????
1
????
=
????
1
−
????
2
????
1
∙
???? (−
????
2
????
1
)
????????
1
= 0
????
????
2
????
=
????
2
−
????
2
????
1
∙
???? (−
????
2
????
1
)
????????
2
= 0
????
????
1
????
=
????
1
−
????
2
????
1
∙
???? (−
????
2
????
1
)
????????
1
= −1
????
????
2
????
=
????
2
−
????
2
????
1
∙
???? (−
????
2
????
1
)
????????
2
= 1
????
????
3
????
=
????
3
−
????
2
????
1
∙
???? (−
????
2
????
1
)
????????
3
= 0
Частоту среза можно выразить через выражение:
????
????
= √
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2

13
Подставим полученное выражение частоты среза в формулу (4.1) и проанализируем как сильно повлияет на схему изменение номиналов компонентов схемы фильтра верхних частот:
????
????
1
????
????
=
????
1
√
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2
∙
???? (√
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2
)
????????
1
= −0,5
????
????
2
????
????
=
????
2
√
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2
∙
???? (√
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2
)
????????
2
= −0,5
????
????
1
????
????
=
????
1
√
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2
∙
???? (√
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2
)
????????
1
= 0
????
????
2
????
????
=
????
2
√
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2
∙
???? (√
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2
)
????????
2
= −0,5
????
????
3
????
????
=
????
3
√
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2
∙
???? (√
1 2????
2
????
3
????
????
????
1
????
2
????
2
)
????????
3
= −0,5
Сведем полученные значения в таблицу 4.1 для более наглядного сравнения и сделаем вывод.

14
Таблица 4.1 – Относительная чувствительность параметров ФНЧ 2-ого порядка к изменению номиналов элементов
Тип фильтра
Параметр
Чувствительность к изменению номинала
R1
R2
R3
C1
C2
ФВЧ
Чебышева
????
-1 1
0 0
0
????
????
0
-0,5
-0,5
-0,5
-0,5
Анализ чувствительности параметров схем к изменению номиналов их элементов является необходимым этапом проектирования схем и позволяет не только определить требования к точности подбора номиналов элементов и необходимость применения специальных мер по их стабилизации, но и стабилизировать параметры схемы при изменении условий окружающей среды без использования специальных мер путём эффективного подбора типов пассивных элементов.
У схем активных фильтров с многопетлевой отрицательной обратной связью к изменению номиналов элементов чувствительны все исследованные параметры. При этом чувствительности схем 2-го порядка в среднем в два раза ниже по сравнению со схемами 1-го порядка, но количество элементов у схем
2-го порядка больше.
Анализ чувствительностей параметров фильтров высоких порядков и с относительно сложной передаточной функцией в аналитическом виде затруднён. В связи с чем наибольший практический интерес представляет анализ чувствительностей параметров конкретных схем с применением численных методов решений и статистического метода Монте-Карло.